[Multimedia] Lecture 14. Human Visual System

본 포스팅은 인하대학교 안남혁 교수님의 [202601-EEC4410-001] Multimedia을 수강하고 공부한 내용을 정리하기 위한 포스팅입니다.

 

1. Human Visual System

 외부의 빛은 투명한 각막(Cornea)과 동공(Pupil)을 지나 수정체(Lens)에서 굴절되어 안구 안쪽 벽인 망막(Retina)에 초점을 맺는다.

 

• 망막(Retina)과 시세포: 망막은 빛을 전기 신호로 바꾸는 센서 역할을 한다. 여기에는 두 종류의 광 수용기가 있다.
  • 간상체(Rod): 주로 명암을 구별하며 어두운 곳에서 작동한다.
  • 추상체(Cone): 색상을 구별하며 밝은 곳에서 작동한다.
• 중심와(Fovea): 망막에서 초점이 맺히는 중심 부위로, 색상을 감지하는 추상체가 밀집해 있어 시력과 색상 인지가 가장 선명한 곳이다.
• 시신경(Optic nerve): 망막에서 변환된 시각 정보를 뇌로 전달하는 통로이다. 시신경 다발이 빠져나가는 곳에는 광 수용기가 없기 때문에 빛을 감지할 수 없는 맹점(Blind spot)이 발생한다.

 

망막에는 빛을 감지하는 두 종류의 광수용체(Photoreceptors)가 존재한다.

• 간상체(Rods): 막대 모양으로 생겼으며, 아주 적은 빛에도 반응하여 암소시(Scotopic vision, 어두운 곳에서의 시각)를 담당한다. 망막 전체에 약 1억 2천만 개가 널리 분포한다.
• 추상체(Cones): 원뿔 모양으로 생겼으며, 충분히 밝은 빛에서 색상을 구별하는 명소시(Photopic vision, 밝은 곳에서의 시각)를 담당한다. 약 6백만~7백만 개가 존재한다.
• 이 두 세포가 동시에 활성화되는 어스름한 중간 밝기 상태를 박명시(Mesopic vision)라고 부른다.

 

• 삼자극치(Tri-stimulus): 추상체는 빛의 파장에 대한 반응 민감도에 따라 L(Long, 장파장/빨강), M(Middle, 중파장/초록), S(Short, 단파장/파랑) 세 종류로 나뉜다. 이 세 가지 신호의 조합으로 우리는 모든 색을 인식하게 된다.
• 세포 분포의 불균형: 슬라이드의 그래프와 패턴을 보면 흥미로운 점이 있다. L, M, S 추상체의 비율은 대략 12 : 6 : 1로, 파란색을 감지하는 S 추상체는 매우 희귀하다. 심지어 시력이 가장 예민한 중심와(Fovea) 부위에는 S 추상체와 간상체가 아예 존재하지 않는다.
   중심와는 오직 L과 M 추상체로만 채워져 있어 높은 해상도와 적녹 색상 구별에 특화되어 있다. 반면, 간상체는 중심에서 20도 정도 벗어난 주변부에 가장 밀집해 있어 어두운 밤에는 대상을 정면으로 볼 때보다 약간 빗겨 볼 때(주변시) 더 잘 보이게 된다.

 

Purkinje Shift

주변이 어두워져 암순응이 진행될 때, 눈이 가장 밝게 느끼는 빛의 파장 대역이 짧은 쪽(파란색 계열)으로 이동하는 현상을 말한다.

• 명소시(밝을 때)에는 시각의 최대 민감도가 약 555nm(노란색/연두색 부근)에 있지만, 암소시(어두울 때)가 되면 이 민감도 곡선이 약 507nm(청록색 부근)로 이동한다.
• 이로 인해 낮에는 선명하게 보이던 붉은색 물체가 밤이 되면 어둡거나 까맣게 죽어 보이고, 파란색 물체는 상대적으로 더 밝고 또렷하게 보이게 된다.

 

2025-2 기말고사

• 문제: 어두운 동굴에 표지판을 만들려고 하는데 무슨 색으로 할지 결정하고 이유를 서술하라.
  • 정답: 푸르기네 현상 (Purkinje Shift)에 따라서 파랑색 계열의 색상으로 결정해야한다. 사람은 동굴처럼 빛이 부족한 환경에 들어가면, 아주 적은 빛에도 민감하게 반응하는 막대세포 (Rod cell) 위주로 시각 시스템을 전환한다.
    
    이러한 암순응 과정에서 눈이 가장 밝게 느끼는 파장의 중심점이 붉은색-노란색 대역에서 초록색-푸른색 대역으로 이동하게 된다. 결과적으로 밝은 대낮에 강렬하게 돋보이던 빨간색 객체가 어둠 속에서는 가장 먼저 시야에서 사라져 새까맣게 죽어 보이고, 낮에는 평범해 보이던 초록색이나 푸른색이 어둠 속에서는 상대적으로 더 밝은 회색빛으로 도드라져 보이는 왜곡 현상이 발생한다. 

 

• 신호 변환: 간상체(Rods)의 로돕신(Rhodopsin)과 추상체(Cones)의 옵신(Opsins)이라는 광색소(Photopigments)가 빛을 흡수하면 화학 반응이 일어나고, 이것이 전기 신호로 변환된다. 이 신호는 시신경(Optic nerve)을 타고 시각로를 거쳐 뇌의 시각 피질(Visual Cortex)로 전달된다.
  • Optic pathway: 로돕신, 옵신 -> 시신경 -> 시각로 -> 신경핵 -> 시각 영역
    
    
  • 수용 영역(Receptive fields)과 에지 검출: 망막의 신경절 세포(Ganglion cells)는 빛을 단순히 픽셀 단위로 전달하는 것이 아니라, 주변부 세포들과 상호작용하는 Center-Surround 구조를 갖는다.
    
    중심부에 빛이 들어오면 흥분하고(+) 주변부에 들어오면 억제되는(-) ON-center 구조(또는 그 반대)를 통해, 균일한 빛이 들어올 때보다 빛의 경계선(명암 차이)이 있을 때 가장 강하게 반응한다.
    
    • 즉, 인간의 망막은 뇌로 정보를 보내기 전 단계에서부터 이미 국소적 대비(Local contrast)를 강조하고 윤곽선(Edge detection)을 추출하는 필터 역할을 수행한다.

 

2. Color Vision

Trichromatic Theory (삼원색 이론)

• 핵심 내용: 인간의 눈에는 빨강, 초록, 파랑에 각각 민감한 3가지 종류의 수용체가 있으며, 우리가 보는 모든 색은 이 3가지 수용체가 얼마나 강하게 자극받았는지 그 조합(비율)에 의해 결정된다는 이론이다.
• 현대적 증명: 망막의 L(장파장), M(중파장), S(단파장) 추상체(Cone)의 존재가 해당 이론을 뒷받침한다. 디지털 모니터가 R, G, B 픽셀의 빛을 섞어서 수백만 가지 색을 만들어내는 것과 같은 원리입니다.

 

Hering's Opponent-Colors Theory (대응색 이론)

• 핵심 내용: 시각 시스템은 빛을 단순히 더하는 것이 아니라, 서로 반대되는 스위치로 작동한다고 주장한다.
  • 명암 채널: Whiite vs Black
  • 적녹 채널: Red vs Green
  • 황청 채널: Yellow, Blue
• 잔상(Afterimage) 현상: 특정 색을 오래 쳐다보다가 흰 벽을 보면, 그 색과 짝을 이루는 반대색이 보이는 것이 뒷받침한다.

Modern Opponent-Colors Theory (현대의 대응색 이론)

현대 뇌과학과 생리학은 "두 이론이 모두 맞다"는 것을 밝혀냈다. 우리의 시각은 2단계(2-Stage) 모델로 작동한다.

• Stage 1 (센서 단계 - 삼원색 이론): 망막의 광수용기인 3개의 추상체(L, M, S)가 빛의 파장을 흡수하여 기초 데이터를 수집한다.
• Stage 2 (신호 처리 단계 - 대응색 이론): 추상체가 수집한 데이터가 신경절 세포(Ganglion cell)를 거쳐 뇌로 갈 때, 단순히 세 갈래로 가는 것이 아니라 서로 더해지고 빼지는 연산 과정을 거쳐 대응색 채널로 변환된다.
  • 밝기(Luminance) 채널: $L + M$ (빨강과 초록 신호를 합쳐서 밝기를 감지)
  • 적녹(Red-Green) 채널: $L - M + S$ (빨강 신호에서 초록 신호를 빼서 대비를 생성)
  • 황청(Yellow-Blue) 채널: $L + M - S$ (빨강+초록=노랑 신호에서 파랑 신호를 빼서 대비를 생성)

결과적으로 우리의 뇌는 RGB 원시 데이터가 아니라, 연산이 끝난 '명암/적녹/황청' 신호를 받게 되므로 붉은빛이 도는 초록색 같은 것은 인식할 수 없는 것이다.

 

Adaption (순응)

• 암순응: 밝은 곳에서 있다가 어두운 곳으로 들어갈 때 발생하며, 간상체(Rod)가 서서히 활성화 된다. (약 20~30분 소요)
• 명순응: 어두운 곳에서 밝은 곳으로 나올 때 발생하며, 추상체(Cone)가 서서히 활성화 된다. (단 몇 초에서 몇 분 소요)
• 색순응: 주변 조명의 색상(광원)이 바뀌어도, 물체의 본래 색상을 일정하게 유지해서 인식하려는 뇌의 기능이다.

 

 

Contrast Sensitivity (대비 민감도)

  인간은 밝기 차이를 굉장히 예민하게 포착하는 반면에, 색상은 전반적인 민감도가 낮아 거의 구분하지 못한다. 특히 파랑-노랑 채널에 가장 둔감하다.

 

3. Psychophysics 

 

1. 베버의 법칙 (Weber's Law): 

• 핵심 개념: 인간이 자극의 변화를 알아차리려면, 초기 자극의 크기에 비례해서 변화량이 커져야 한다는 법칙이다. 이때 변화를 알아차릴 수 있는 최소한의 차이를 JND(Just Noticeable Difference, 최소 자극 변화량)라고 힌다.
• 수식: $\Delta I / I = k$ (변화량 / 초기 자극 = 상수)
• 예시: 100g의 물건을 들고 있을 때는 5g만 추가해도($k=5\%$) 무게 변화를 느낄 수 있다. 하지만 1000g의 물건을 들고 있을 때는 5g을 추가해 봤자 아무 차이도 느끼지 못한다. 1000g의 5%인 최소 50g은 추가해야 비로소 "어, 무거워졌네?"라고 느낀다.

 

2. 페히너의 법칙 (Fechner’s Law) 

• 핵심 개념: 베버의 법칙을 확장한 것으로, 물리적 자극($I$)이 기하급수적으로 커져야 인간의 감각($S$)은 간신히 산술급수적으로(일정한 보폭으로) 커진다는 것을 수학적으로 정의한다. 즉, 자극의 세기가 커질수록 사람이 느끼는 주관적 감각의 변화폭은 점점 무뎌진다.
• 수식: $S = k \ln(I) + C$
• 예시: 오디오 볼륨이 아주 작을 때는 한 칸만 올려도 소리가 확 커진 것처럼 느끼지만, 이미 볼륨이 시끄러운 상태에서는 한 칸을 올려도 체감상 큰 차이가 없는 것과 같다.

 

3. 스티븐슨의 멱법칙 (Stevens’ Power Law) 

• 핵심 개념: 감각의 종류(시각, 청각, 통각 등)에 따라 자극과 인지의 관계가 다르다는 것을 지수($n$)로 표현했다.
• 수식: $S = k \cdot I^n$
• 그래프 분석:
  • $n < 1$ (압축적 반응, 파란 점선 아래 곡선): 시각(밝기)이나 청각(소리 크기)이 여기에 해당한다. 물리적 에너지가 엄청나게 커져도 뇌는 이를 압축해서 완만하게 받아들인다. (뇌가 과부하에 걸리지 않도록 보호하는 역할)
  • $n = 1$ (선형적 반응, 초록 점선): 선의 길이를 눈으로 어림짐작할 때 등 일부 감각은 물리적 크기와 인지적 크기가 거의 비례한다.
  • $n > 3$ (과장적 반응, 파란 실선 위 곡선): 전기 충격이나 통증 같은 감각이다. 자극이 조금만 커져도 뇌는 생명의 위협을 느끼고 감각을 폭발적으로 증폭시켜 느끼게 된다.